Czego oczekujemy od LHC? Piotr Traczyk IPJ Warszawa
Plan 1)Dwa słowa o LHC 2)Eksperymenty i program fizyczny 3)Kilka wybranych tematów - szczegółowo 2
LHC Large Hadron Collider UWAGA! Start jeszcze w tym roku! 3
LHC w liczbach (dla prasy) Zderzenia proton-proton, proton, przy E=14 TeV Zderzenia ciężkich jonów (E/nukleon=2,76 TeV) Obwód tunelu 27 km Prędkość lotu protonów: 0.999999991 c Nadprzewodzące magnesy wytwarzają pole magnetyczne 8,33 T Temperatura 1,9 K Koszt akceleratora ~4,7 GCHF (czyli 1,5x tyle co koszt polskiej eskadry F-16) 4
LHC w liczbach (dla fizyka) Energia po raz pierwszy dostęp do fizyki przy energiach rzędu TeV Świetlność rocznie produkowane około 10 10 bozonów W i Z, 10 8 par tt, 10 7 cząstek Higgsa,... Częstotliwość zderzeń - 25 ns (40 MHz) 5
Samo zderzanie cząstek nic nie da......trzeba jeszcze zobaczyć i zrozumieć co w tym zderzeniu powstało....i wyciągnąć z tego wnioski. 6
Samo zderzanie cząstek nic nie da......trzeba jeszcze zobaczyć i zrozumieć co w tym zderzeniu powstało. Potrzebny: DETEKTOR Potrzebny: FIZYK TEORETYK...i wyciągnąć z tego wnioski. 7
Detektory przy LHC Planowane są 4(+2) eksperymenty na LHC ATLAS CMS ALICE LHCb 8
Program fizyczny LHC 9
Program fizyczny LHC Model Standardowy i Cząstka Higgsa Poza Model Standardowy: supersymetria, technicolor, wyższe wymiary, nowe oddziaływania, 4-ta rodzina leptonów,... Fizyka kwarków b: łamanie parzystości CP - LHCb Fizyka ciężkich jonów: poszukiwanie plazmy kwarkowo-gluonowej ALICE, (CMS) 10
Bozon Higgsa (od strony teoretycznej) Równania teorii oddziaływań elektrosłabych można napisać tylko dla cząstek bezmasowych Człony masowe łamią jedną z podstawowych symetrii tych równań Ale w przyrodzie występują cząstki masywne... 11
Bozon Higgsa (od strony teoretycznej) Równania teorii oddziaływań elektrosłabych można napisać tylko dla cząstek bezmasowych Człony masowe łamią jedną z podstawowych symetrii tych równań Ale w przyrodzie występują cząstki masywne... Mechanizm Higgsa układ ma mniejszą symetrię niż równania które go opisują spontaniczne łamanie symetrii. Konsekwencja: konieczność dodania nowego pola do teorii. Wzbudzenia tego pola cząstka Higgsa 12
Bozon Higgsa (od strony praktycznej) Pole Higgsa nadaje masy cząstkom: Cząstka Higgsa: 13
Poszukiwanie Higgsa - wczoraj 14
Poszukiwanie Higgsa - jutro 15
Higgs w LHC - przykład Wynik po roku działania LHC Słowa kluczowe: analiza, symulacje Monte Carlo, sygnał, tło, masa niezmiennicza 16
SuperSymetria Symetria pomiędzy bozonami a fermionami Każdy bozon ma superpartnera o spinie połówkowym, każdy fermion analogicznie kwarki, leptony -> skwarki, sleptony gluon -> gluino; W,Z -> wino, zino itd... Parzystość R nowa liczba kwantowa. Jeśli zachowana cząstki supersymetryczne mogą powstawać i anihilować tylko parami 17
SuSy - dlaczego Rozwiązuje kilka głównych problemów Modelu Standardowego: tzw. problem hierarchii, czyli olbrzymiej rozbieżności skal energetycznych elektrosłabej (10 2 GeV) i skali Plancka (10 19 GeV) naturalny kandydat na cząstkę ciemnej materii LSP (Lightest Supersymmetric Particle) pasuje do koncepcji unifikacji oddziaływań konieczna w teorii strun 18
SuSy jak szukać (przykład) Produkcja par skwarków lub gluin w zderzeniach pp Następuje kaskada kolejnych rozpadów, powstają znane cząstki Ostatnia cząstka (LSP) ucieka z detektora niezauważona pojawia się tzw. brakująca energia Strategia poszukiwanie przypadków z brakującą energią i czymś (np. leptonami) 19
Optymistyczne perspektywy dla LHC Teoria Doświadczenie 20
Wyższe wymiary 21
Wyższe wymiary Ogólna Teoria Względności A. Einsteina siły grawitacyjne wynikają z geometrii 4-wymiarowej czasoprzestrzeni (1916) T. Kaluza dodanie kolejnego wymiaru powoduje, że geometrycznie można opisać również elektromagnetyzm (1921) Ale czemu nie widzimy tego piątego wymiaru? Odpowiedź: kompaktyfikacja (O. Klein, 1926) 22
Jak ukryć wyższe wymiary Lina z punktu widzenia wagonika jest jednowymiarowa. Z Z punktu widzenia np. Mrówki wymiary są dwa. Wniosek: dodatkowy wymiar można ukryć poprzez zwinięcie go w okrąg o bardzo małym promieniu (np. r c ~10-33 cm) 23
Jak ukryć wyższe wymiary Lina z punktu widzenia wagonika jest jednowymiarowa. Z Z punktu widzenia np. Mrówki wymiary są dwa. Wniosek: dodatkowy wymiar można ukryć poprzez zwinięcie go w okrąg o bardzo małym promieniu (np. r c ~10-33 cm) Pojawia się warunek periodyczności funkcji falowej dla cząstek w dodatkowym wymiarze Powstała w ten sposób drabina stanów odpowiada (z punktu widzenia 4-wymiarowej przestrzeni) stanom o różnych masach (w odstępach 1/r c ) 24
Współczesne teorie z wyższymi wymiarami 1970: teoria strun, 11 wymiarów niesprawdzalna doświadczalnie 1998: nowa fala modele ADD, RS, UED... ADD (Arkani-Hamed, Dimopoulos, Dvali): modyfikacja grawitacji na bardzo małych odległościach RS (Randall-Sundrum): jeden, zakrzywiony nowy wymiar, nowe ciężkie cząstki w LHC UED (Universal Extra Dimensions): wszystkie cząstki mają wzbudzenia KK, doświadczalnie wynik podobny do supersymetrii 25
Model ADD Tylko grawitacja widzi wyższe wymiary Dzięki temu ich rozmiary mogą być nawet rzędu mm 26
Model RS w LHC Nowa cząstka ciężki grawiton (!) o masie kilku TeV 4 wymiary wymiarów 5 27
Model RS w LHC Nowa cząstka ciężki grawiton (!) o masie kilku TeV Rzeczywistość 4 wymiary wymiarów 5 28
29